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Definition und Bedeutung
Direct Metal Laser Melting (DMLM) ist ein additives Fertigungsverfahren, bei dem unter Einsatz von Lasern sehr dünne Schichten Metallpulver geschmolzen werden, um hieraus dann dreidimensionale Objekte zu fertigen. Die dazu angelegten CAD-Daten werden in einer stl-Datei abgespeichert, die dann wiederum in eine Sliced-Datei umgewandelt wird. Die DMLM-Technologie wird unter anderem für die Fertigung in der Luft- und Raumfahrt, in der Medizintechnik sowie in weiteren industriellen Branchen eingesetzt. Sie soll hier eine hohe Produktivität und niedrige Kosten pro Teil im Vergleich zur konventionellen Fertigung ermöglichen.
So läuft der DMLM-Prozess ab
Zuerst trägt ein Recoater (Beschichter) eine dünne Schicht Metallpulver auf das Druckbett auf. Danach werden auf der Basis der Sliced-Datei die Scanpfade festgelegt, welche die Laserbelichtung steuern, der wiederum das Pulver zum Schmelzen bringt und den Querschnitt des zu produzierenden Teils erzeugt. Danach wird das Druckbett abgesenkt und die nächste Schicht wird genauso aufgetragen. Dies wiederholt sich so lange, bis alle Schichten gedruckt sind. Das nicht geschmolzene Pulver wird dann entweder weggebürstet, -geblasen oder -gestrahlt. Manchmal ist noch eine geringe Nachbearbeitung des fertigen Objektes notwendig, meist kann diese aber entfallen.
Verwendbare Materialien
Für das Direkte Metall-Laserschmelzen können durch die hohe Präzision und die Leistung der Laser sehr haltbare Metalle verarbeitet werden. Diese werden als feine Pulver geliefert. Sehr häufig werden Titan, rostfreier Stahl, verschiedene Superlegierungen und Aluminiumlegierungen verwendet.
Titan hält sehr hohem Druck und extremen Temperaturen stand. Die mit DMLM-Geräten gefertigten Titanteile sind vor allem für die Bereiche wertvoll, in denen eine schnelle Durchlaufzeit bei begrenzten Produktzahlen ein strategischer Vorteil ist. Rostfreier Stahl ist für Festigkeit, Zähigkeit und Duktilität bekannt und wird hier oft für die additive Fertigung von funktionalen Prototypen bzw. Produktionsteilen genutzt. Ist ein niedriger Kohlenstoffgehalt gewünscht, kann Edelstahl 316L eine Option sein. Dieser ist zäh, duktil, schweißbar und sehr resistent gegen Lochfraß und Korrosion. Für die Erzeugung gleichmäßiger Kühlkanäle kann man auf Martensitaushärtenden Stahl zurückgreifen. Er lässt sich gut bearbeiten und zum Ende leicht polieren. Eine Superlegierung auf Nickelbasis ist Alloy718. Dieses wartet mit Eigenschaften auf, welche es interessant für die Herstellung von Raketen- und Düsentriebwerken machen. Er ist sowohl hitze- als auch korrosionsbeständig. Eine weitere Superlegierung, allerdings auf Kobaltbasis, ist CoCr F75. Sie wartet ebenfalls mit einer hohen Temperaturbeständigkeit und Zähigkeit auf und wird ebenfalls für den 3D-Druck von Turbinen- und Triebwerksteilen eingesetzt. Aluminiumlegierungen besitzen sehr gute Schmelzeigenschaften, was sie ebenfalls für den 3D-Druck interessant macht. Mit dem DMLM werden harte Aluminiumobjekte hergestellt, welche erheblichen Belastungen standhalten müssen. Aluminiumkomponenten werden unter anderem für die Automobilindustrie, den Rennsport und für thermische Anwendungen verwendet.
Welche Bereiche profitieren vom Direct Metal Laser Melting?
Mit dem DMLM lassen sich komplizierte Teile herstellen, bei denen gleichzeitig das Gewicht reduziert und die erforderliche Festigkeit beibehalten werden kann. Sie werden für Anwendungen genutzt, bei denen eine Reduzierung des Gewichts von entscheidendem Vorteil ist, zum Beispiel beim Bau von Satelliten, Raketen- und Düsentriebwerken. Die Robotik und der Spritzguss profitieren ebenfalls von den mit dieser Technologie hergestellten Präzisionsbauteilen, die in kleinen Mengen hergestellt werden können.
Vorteile
Die mit dem digitalen Metall-Laserschmelzen hergestellten Teile besitzen außergewöhnliche Oberflächeneigenschaften und mechanische Eigenschafen, die denen der traditionellen Knetwerkstoffe in nichts nachstehen. Die Teile haben eine minimale Porosität. Da das Druckbett in Schritten von nur 20 µm bewegt werden kann, haben die gefertigten Teile eine glatte Oberflächenqualität. Wie wenig 20 µm sind, zeigt sich daran, dass ein einzelnes Haar etwa 75 µm dick ist, ein einzelnes rotes Blutkörperchen 5 µm.
Beim DMLM-Verfahren minimiert sich die beim Sintern sonst übliche Porosität, eine fast 100%ige Dichte ist möglich. Das nicht geschmolzene Metallpulver kann wiederverwendet werden. Gleichzeitig gibt es bei diesem Verfahren nur geringe Vorlaufzeiten, die anstelle von Wochen oftmals nur bei Stunden oder Tagen liegen.
Es ist zudem möglich, mit dem DMLM-Verfahren Objekte mit sehr komplizierten Strukturen und deutlichen Hinterschneidungen zu fertigen, was mit herkömmlichen Methoden meist nicht realisierbar ist. Für wettbewerbsintensive Branchen sind kürzere Designzyklen von Bedeutung.
Was unterscheidet das DMLM- und das DMLS-Verfahren?
Mancherorts wird der Begriff „DMLS“ als Synonym für beide Verfahren eingesetzt, was aber nicht ganz korrekt ist. Beim direkten Metall-Lasersintern (DMLS) bringen die Laser die Partikel nur teilweise zum Schmelzen, sie haften also aneinander. Beim direkten Metall-Laserschmelzen (DMLM) hingegen wird das Material vollständig aufgeschmolzen, daraus bilden sich dann die ultradünnen Flüssigkeitsschichten, welche sich beim Abkühlen festigen. Mittlerweile setzt sich für das letztgenannte Verfahren aber die Bezeichnung DMLM durch.
Unterschiede zu anderen Metall-3D-Druckverfahren
Direct Metal Deposition (DMD)
Direct Metal Deposition (DMD) ist ein weiteres additives Fertigungsverfahren, das sich durch die Verwendung einer Zuführdüse und das Fehlen eines Pulverbetts von DMLM unterscheidet. Bei DMD wird Metallpulver mit Hilfe eines Lasers geschmolzen, während es durch die Düse in den Laserstrahl geführt wird. DMD eignet sich für die Reparatur beschädigter Teile sowie für die Fertigung neuer Objekte.
Binder Jetting
Das Binder Jetting-Verfahren ist eine andere Methode des Metall-3D-Drucks, bei der ein flüssiger Binder auf das Metallpulver gesprüht wird, um die gewünschte Form zu erzeugen. Nach dem Druckvorgang wird das Objekt in einem Ofen gesintert, um die Festigkeit zu erhöhen. Binder Jetting eignet sich insbesondere für die Herstellung großer und komplexer Strukturen.
Optimierung von Bauteildesigns für DMLM
Um das Potenzial von DMLM voll auszuschöpfen, sollten Bauteildesigns angepasst und optimiert werden. Dies kann beispielsweise durch den Einsatz von generativem Design oder Topologieoptimierung erreicht werden. Beide Methoden ermöglichen die Identifizierung von Bereichen, in denen Material reduziert werden kann, ohne die strukturelle Integrität oder Funktionalität des Teils zu beeinträchtigen. Dies führt zu leichteren und effizienteren Bauteilen, die in vielen Anwendungsbereichen Vorteile bieten.
Umweltauswirkungen und Nachhaltigkeit
Da das DMLM-Verfahren nur das Material verbraucht, das tatsächlich für das Objekt benötigt wird, und überschüssiges Pulver wiederverwendet werden kann, hat es geringere Umweltauswirkungen als herkömmliche Fertigungsverfahren, die oftmals zu erheblichen Materialverschwendung führen. Darüber hinaus können die Energie- und Ressourceneffizienz durch die Produktion leichterer und optimierter Bauteile weiter verbessert werden.
Zukunftsperspektiven und Weiterentwicklung der DMLM-Technologie
In den kommenden Jahren ist zu erwarten, dass die DMLM-Technologie weiterhin Fortschritte macht und in immer mehr Anwendungsbereichen eingesetzt wird. Die Entwicklung neuer Materialien, höherer Druckgeschwindigkeiten und verbesserter Prozesskontrolle wird dazu beitragen, die Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit von DMLM weiter zu steigern. Darüber hinaus könnten Fortschritte in der Automatisierung und der Integration von DMLM in bestehende Fertigungsprozesse dazu führen, dass additive Fertigungsverfahren wie DMLM immer mehr an Bedeutung gewinnen.
Insgesamt bietet das Direct Metal Laser Melting-Verfahren ein enormes Potenzial für die Fertigung von hochwertigen, komplexen und leichten Bauteilen in einer Vielzahl von Branchen. Durch kontinuierliche Verbesserungen und Innovationen wird diese Technologie voraussichtlich weiterhin an Bedeutung gewinnen und die Art und Weise verändern, wie wir Metallteile herstellen und verwenden.